Физика / Курсовая работа: Полевой эффект и его применение

Курсовая работа: Полевой эффект и его применение

Принцип работы МОП-транзистора инверсионного типа проиллюстрирован рис. 7. Для простоты полагается, что затвор отделен от полупроводника идеальным изолятором, а влияние поверхностных ловушек не учитывается. Распределение зарядов при нулевых напряжениях на электродах показано на рис. 5, а. Вблизи n⁺ -областей, созданных диффузией для образования истока и стока, имеются области пространственного заряда, возникшие за счет внутренней разности потенциалов на n+-р переходах. Поскольку в р-области электроны практически отсутствуют, сопротивление-исток — сток весьма велико и соответствует сопротивлению двух встречно включенных диодов при нулевом смещении.

Если к затвору приложено положительное напряжение (рис. 7,б), вблизи поверхности происходит инверсия типа проводимости, так что в этой области концентрация электронов становится достаточно высокой и сопротивление сток - исток резко уменьшается.

При подаче положительного напряжения на сток (рис. 7, в) электроны начинают двигаться от истока к стоку по инверсионному слою. За счет падения напряжения вдоль канала нормальная составляющая поля затвора и соответственно концентрация электронов уменьшаются в направлении от истока к стоку. Толщина же обедненной области под инверсионным слоем в этом направлении увеличивается вследствие возрастания разности потенциалов между подложкой и каналом.

Когда напряжение на стоке превысит определенную величину (рис. 7,г), происходит перекрытие канала вблизи стока, и ток через прибор выходит на насыщение так же, как и в транзисторе с управляющим р-n-переходом. Эффекты укорочения канала и электростатической обратной связи, приводящие к тому, что дифференциальное сопротивление стока на практике остается конечным, будут рассмотрены в гл. 7.

Для приборов, в которых диэлектриком является окисный слой (МОП-транзисторы), существенную роль играет положительный заряд, присутствующий в окисле. Действие этого заряда эквивалентно наличию положительного напряжения на затворе, так что в случае полупроводника р-типа инверсионный слой существует уже при нулевом управляющем напряжении. Для n-полупроводника присутствие положительного пространственного заряда в окисле вызывает образование слоя с повышенной концентрацией электронов (n⁺ ), поэтому для создания инверсионного слоя напряжение на затворе должно превышать некоторую пороговую величину, достаточную для нейтрализации этого заряда. Таким образом, проводимость канала МОП-транзистора на подложке р-типа (n-канал) можно увеличивать или уменьшать в зависимости от полярности напряжения на затворе. В случае же подложки n-типа (р-канал) при V_GS =0 канал отсутствует и для его создания необходимо приложить V_GS <0, т. е. такие приборы могут работать только в режиме обогащения канала неосновными носителями (дырками). МОП-транзисторы с n-каналом принято называть транзисторами с обеднением, несмотря на то, что они могут работать также и в режиме обогащения канала неосновными носителями (электронами). Типичные стоковые характеристики обоих типов МОП-транзисторов приведены на рис. 8.

Выше предполагалось, что подложка легирована относительно слабо. О возрастанием степени легирования для образования инверсионного слоя необходимо прикладывать большее напряжение к затвору. Увеличивая концентрацию легирующей примеси в приборах на подложке р-типа, можно нейтрализовать действие положительного заряда в окисле и получить МОП-транзистор с индуцированным n-каналом.

Напряжение на затворе, при котором ток стока уменьшается до нуля, называется пороговым напряжением W, причем V_T <0 для транзисторов как с р-, так и с n-каналом (см. рис. 8).

Минимальное напряжение сток — исток, необходимое для достижения насыщения, как и в случае ПТУП,

Приближенное выражение для тока стока в области до насыщения легко может быть получено при следующих упрощающих предположениях [9, 22]:

а) влияние поверхностных ловушек и контактные разности потенциалов не учитываются;

б) в диэлектрике присутствует фиксированный заряд с поверхностной плотностью Q_ss ;

в) данный заряд на затворе наводит равный по величине и противоположный по знаку подвижный заряд вблизи поверхности полупроводника;

г) эффективная подвижность носителей в канале считается не зависящей от электрического поля в полупроводнике.

Для прибора, изображенного на рис. 9, ток I_D , протекающий по каналу, создает падение напряжения V(y) по отношению к истоку, так что на расстоянии у от истока напряжение между затвором и каналом будет . Тогда заряд, наводимый в полупроводнике на элементе площади Zdy, будет